Ein Gehirnimplantat, das gelähmte Affen laufen lässt

Wissenschaftler haben eine drahtlose "Gehirn-Rückenmark-Schnittstelle" verwendet, um Rückenmarksverletzungen in einem Paar Rhesus-Makaken zu umgehen und die absichtliche Gehbewegung zu einem vorübergehend gelähmten Bein wiederherzustellen.

Forscher sagen, dass dies das erste Mal ist, dass eine neurale Prothese verwendet wurde, um die Gehbewegung direkt in die Beine von nicht-menschlichen Primaten wiederherzustellen.

"Das von uns entwickelte System verwendet Signale, die vom motorischen Kortex des Gehirns aufgenommen wurden, um eine koordinierte elektrische Stimulation von Nerven in der Wirbelsäule auszulösen, die für die Fortbewegung verantwortlich sind", sagt David Borton, Dozent für Ingenieurwissenschaften an der Brown University und Mitautor der Studie. "Bei eingeschaltetem System hatten die Tiere in unserer Studie eine fast normale Fortbewegung."

Die Arbeit könnte helfen, ein ähnliches System für Menschen mit Rückenmarksverletzungen zu entwickeln.

Stellen Sie die Kommunikation wieder her

"Es gibt Hinweise darauf, dass ein hirngesteuertes Wirbelsäulenstimulationssystem die Rehabilitation nach einer Rückenmarksverletzung verbessern kann", sagt Borton. "Dies ist ein Schritt, um diese Möglichkeit weiter zu testen."

Grégoire Courtine, Professor an der Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL), der die Zusammenarbeit leitete, hat klinische Versuche in der Schweiz begonnen, um den Wirbelsäulenbereich der Schnittstelle zu testen. Er warnt: "Es stehen viele Herausforderungen bevor, und es kann Jahre dauern, bis alle Komponenten dieser Intervention in Menschen getestet werden können."


Innerself-Abonnieren-Grafik


Das Gehen ist aufgrund eines komplexen Zusammenspiels zwischen Neuronen im Gehirn und Rückenmark möglich. Elektrische Signale, die vom motorischen Kortex des Gehirns ausgehen, wandern in die Lendenwirbelsäule im unteren Rückenmark, wo sie Motoneuronen aktivieren, die die Bewegung der Muskeln koordinieren, die für das Strecken und Biegen des Beins verantwortlich sind.

Eine Verletzung der oberen Wirbelsäule kann die Kommunikation zwischen dem Gehirn und dem unteren Rückenmark unterbrechen. Sowohl der motorische Kortex als auch die spinalen Neuronen können voll funktionsfähig sein, aber sie sind nicht in der Lage, ihre Aktivität zu koordinieren. Ziel der Studie war es, einen Teil dieser Kommunikation wiederherzustellen.

Die Gehirn-Rückenmark-Schnittstelle verwendet eine pillengroße Elektrodenanordnung, die in das Gehirn implantiert ist, um Signale von dem motorischen Kortex aufzuzeichnen. Die Sensortechnologie wurde teilweise von der BrainGate-Kollaboration entwickelt, einem Forschungsteam, das Brown, die Case Western Reserve Universität, das Massachusetts General Hospital, das Providence VA Medical Center und die Stanford University umfasst.

Die Technologie wird in laufenden klinischen Pilotversuchen verwendet und zuvor in einer klinischen Studie verwendet Studie Angeführt von Brown Neuroengineer Leigh Hochberg, in denen Menschen mit Tetraplegie konnten einen Roboterarm einfach durch das Nachdenken über die Bewegung der eigenen Hand zu betreiben.

Ein drahtloser Neurosensor, der von einem Team um Borton im Neuroengineering-Labor des Brown-Professors Arto Nurmikko entwickelt wurde, sendet die vom Gehirnchip gesammelte Signale drahtlos an einen Computer, der sie entschlüsselt und drahtlos an einen elektrischen Wirbelsäulenstimulator in der Lendenwirbelsäule zurücksendet Wirbelsäule, unter dem Bereich der Verletzung. Diese elektrische Stimulation, die von dem decodierten Gehirn koordiniert wird, signalisiert den Spinalnerven, die die Fortbewegung steuern.

Um die Decodierung von Hirnsignalen zu kalibrieren, implantierten die Forscher den Gehirnsensor und den drahtlosen Sender in gesunde Makaken. Die vom Sensor übertragenen Signale könnten dann auf die Beinbewegungen der Tiere abgebildet werden. Sie zeigten, dass der Decoder in der Lage war, die mit Extension und Flexion der Beinmuskeln verbundenen Gehirnzustände genau vorherzusagen.

Drahtlos ist entscheidend

Die Fähigkeit, Gehirnsignale drahtlos zu übertragen, war für diese Arbeit entscheidend, sagt Borton. Wired Brain-Sensing-Systeme begrenzen die Bewegungsfreiheit, was wiederum die Informationen einschränkt, die Forscher über Fortbewegung sammeln können.

"Dadurch können wir die neuronale Aktivität in normalen Kontexten und bei natürlichem Verhalten abbilden", sagt Borton. "Wenn wir wirklich eine Neuroprothetik anstreben, die eines Tages eingesetzt werden kann, um menschlichen Patienten bei alltäglichen Aktivitäten zu helfen, werden solche unbestückten Aufzeichnungstechnologien von entscheidender Bedeutung sein."

Für die aktuelle Arbeit, veröffentlicht in NaturDie Forscher kombinierten ihr Verständnis darüber, wie die Gehirnsignale die Fortbewegung beeinflussen, mit Hilfe von Spinal Maps, die von Courtines Labor an der EPFL entwickelt wurden und die neuronalen Hotspots in der Wirbelsäule identifizierten, die für die Bewegungssteuerung verantwortlich sind. Dies ermöglichte es dem Team, die neuronalen Schaltkreise zu identifizieren, die durch das Wirbelsäulenimplantat stimuliert werden sollten.

Mit diesen Stücken testeten die Forscher das gesamte System an zwei Makaken mit Läsionen, die das halbe Rückenmark in der Brustwirbelsäule überspannten. Makaken mit dieser Art von Verletzung erhalten im Allgemeinen über einen Zeitraum von einem Monat oder so die funktionelle Kontrolle des betroffenen Beines zurück, sagen die Forscher. Das Team testete sein System in den Wochen nach der Verletzung, als es noch keine Willenskontrolle über das betroffene Bein gab.

Die Befunde zeigen, dass die Tiere bei eingeschaltetem System spontan begannen, ihre Beine zu bewegen, während sie auf einem Laufband gingen. Kinematische Vergleiche mit gesunden Kontrollen zeigten, dass die geschädigten Makaken mit Hilfe einer hirngesteuerten Stimulation in der Lage waren, nahezu normale Bewegungsmuster zu erzeugen.

Während der Nachweis, dass das System in einem nicht-menschlichen Primaten funktioniert, ein wichtiger Schritt ist, betonten die Forscher, dass viel mehr Arbeit getan werden muss, um mit dem Testen des Systems beim Menschen zu beginnen. Sie wiesen auch auf mehrere Einschränkungen in der Studie hin.

Zum Beispiel, während das System in dieser Studie erfolgreich Signale vom Gehirn an die Wirbelsäule weitergeleitet hat, fehlt es der Fähigkeit, sensorische Informationen an das Gehirn zurückzugeben. Das Team konnte auch nicht testen, wie viel Druck die Tiere auf das betroffene Bein ausüben konnten. Während es klar war, dass das Glied etwas Gewicht hatte, war aus dieser Arbeit nicht klar, wie viel.

"In einer vollständigen translationalen Studie würden wir mehr quantifizieren wollen, wie ausgeglichen das Tier beim Gehen ist, und die Kräfte messen, die es anwenden kann", sagt Borton.

Trotz der Einschränkungen ist die Forschung die Grundlage für zukünftige Studien an Primaten und möglicherweise auch als Rehabilitationshilfe für Menschen.

"In den Neurowissenschaften gibt es ein Sprichwort, dass Schaltkreise, die zusammen feuern, miteinander verbunden sind", sagt Borton. "Die Idee dabei ist, dass wir durch die Kombination von Gehirn und Rückenmark in der Lage sind, das Wachstum von Schaltkreisen während der Rehabilitation zu verbessern. Das ist eines der Hauptziele dieser Arbeit und ein allgemeines Ziel dieses Bereichs. "

Die Finanzierung erfolgte aus dem Siebten Rahmenprogramm der Europäischen Gemeinschaft, der Internationalen Stiftung für Paraplegie-Forschungsstipendien des Europäischen Forschungsrats, dem Marie-Curie-Stipendium des Wyss-Zentrums in Genf, dem Marie-Curie-COFUND-EPFL-Stipendium, dem Medtronic Morton Cure Paralysis Fund-Stipendium, NanoTera.ch Programm, Nationales Kompetenzzentrum für Robotikforschung Sinergia-Programm, chinesisch-schweizerische Wissenschafts- und Technologiekooperation und Schweizerischer Nationalfonds.

Quelle: Brown University

{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}

Bücher zum Thema:

at InnerSelf Market und Amazon